جماليا تعزيز السيليكا Aerogel عن طريق دمج الليزر النقش والأصباغ
Summary
يصف هذا البروتوكول طريقة لحفر النص والأنماط والصور على سطح متجانسات السيليكا إيروجيل في شكل أصلي ومصبوغ وتجميع الطائرات في تصاميم فسيفساء.
Abstract
ويرد في هذه المخطوطة وصف لإجراء لتعزيز جماليا ل متجانسات السيليكا إيروجيل عن طريق النقش بالليزر وإدماج الأصباغ. باستخدام طريقة استخراج فائقة الحرجة السريعة، يمكن تصنيع متجانسة كبيرة من السيليكا aerogel (10 سم × 11 سم × 1.5 سم) في حوالي 10 ساعة. الأصباغ المدرجة في خليط السلائف يؤدي إلى aerogels الأصفر والوردي والبرتقالي. يمكن أن يكون النص والأنماط والصور محفورة على سطح (أو أسطح) المتجانس aerogel دون الإضرار الهيكل السائبة. يمكن استخدام حفار الليزر لقطع الأشكال من aerogel وتشكيل الفسيفساء الملونة.
Introduction
السيليكا aerogel هي نانوبور، مساحة سطح عالية، مواد عازلة صوتيا مع الموصلية الحرارية المنخفضة التي يمكن استخدامها في مجموعة من التطبيقات من جمع الغبار الفضاء لبناء مواد العزل1،2. عندما تصنع في شكل متجانس، السيليكا aerogels شفافة ويمكن استخدامها لجعل نوافذ عازلة للغاية3،4،5.
في الآونة الأخيرة ، أثبتنا أنه من الممكن تغيير مظهر aerogel السيليكا عن طريق النقش على السطح أو قطعه باستخدام نظام النقش بالليزر6،7 دون التسبب في أضرار هيكلية كبيرة للaerogel. وهذا يمكن أن يكون مفيدا لإجراء تحسينات جمالية، وطباعة معلومات المخزون والمتجانسات aerogel الآلات في أشكال مختلفة. وقد ثبت أن أشعة الليزر Femtosecond للعمل الخام “مايكرو ماشينينج” من aerogels8،9،10،11؛ ومع ذلك ، فإن البروتوكول الحالي يدل على القدرة على تغيير سطح aerogels مع نظام بسيط النقش بالليزر. ونتيجة لذلك، ينطبق هذا البروتوكول على نطاق واسع على الأوساط الفنية والتقنية.
ومن الممكن أيضا لدمج الأصباغ في خليط السلائف الكيميائية aerogel وبالتالي جعل aerogels صبغ مخدر مع مجموعة من الأشكال. وقد استخدمت هذه الطريقة لتصنيع أجهزة الاستشعار الكيميائية12،13، لتعزيز الكشف Cerenkov14، ولأسباب جمالية بحتة. هنا، ونحن نظهر استخدام الأصباغ والليزر النقش لإعداد aerogels جماليا ارضاء.
في القسم التالي، نقوم بوصف إجراءات صنع متجانسات كبيرة من السيليكا aerogel، وتغيير إجراء التحضير المتجانس لدمج الأصباغ، ونقش النص والأنماط والصور على سطح متجانسة aerogel، وقطع الأشكال من المتجانسات المصبوغة الكبيرة ليتم تجميعها في الفسيفساء.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوضح هذا البروتوكول كيف يمكن استخدام النقش بالليزر وإدراج الأصباغ لإعداد مواد aerogel ممتعة جماليا.
مما يجعل كبيرة (10 سم × 11 سم × 1.5 سم) المتجانسات aerogel يتطلب إعداد العفن السليم من خلال الرملي والتنظيف، وتطبيق الشحوم لمنع aerogel من الالتصاق القالب والشقوق الرئيسية من تشكيل. أجزاء م…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يعترفوا بصندوق أبحاث كلية الاتحاد، وبرنامج منحة أبحاث الطلاب، وبرنامج أبحاث المرحلة الجامعية الصيفية للدعم المالي للمشروع. كما يود المؤلفون الاعتراف بجوانا سانتوس لتصميم القالب المؤلف من ثلاث قطع ، وكريس أفانيسيان لتصوير SEM ، ورونالد توتشي للحفر على سطح aerogel المنحني ، والدكتور يوانيس Michaloudis للإلهام والعمل الأولي على مشروع النقش وكذلك لتوفير صورة كوروس والألعاب الهوائية الأسطوانية.
Materials
| 2000 grit sandpaper | Various | ||
| 50W Laser Engraver | Epilog Laser | Any laser cutter is suitable | |
| Acetone | Fisher Scientific www.fishersci.com | A18-20 | Certified ACS Reagent Grade |
| Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A669S212 | Certified ACS Plus, about 14.8N, 28.0-20.0 w/w% |
| Beakers | Purchased from Fisher Scientific | Any glass beaker is suitable. | |
| Deionized Water | On tap in house | ||
| Digital balance | OHaus Explorer Pro | Any digital balance is suitable. | |
| Disposable cleaning wipes | Fisher Scientific www.fishersci.com | 06-666 | KimWipe |
| Drawing Software | CorelDraw Graphics Suite | CorelDraw | |
| Flexible Graphite Sheet | Phelps Industrial Products | 7500.062.3 | 1/16" thick |
| Fluorescein | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | F2456 | Dye content ~95% |
| Foam paint brush | Various | 1-2 cm size | |
| High Vacuum Grease | Dow Corning | ||
| Hydraulic Hot Press | Tetrahedron www.tetrahedronassociates.com | MTP-14 | Any hot press with temperature and force control will work. Needs maximum temperature of ~550 F and maximum force of 24 tons. |
| Laser Engraver | Epilogue Laser | Helix – 24 | 50 W |
| Methanol (MeOH) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A412-20 | Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8% |
| Mold | Fabricated in House | Fabricate from cold-rolled steel or stainless steel. | |
| Paraffin Film | Fisher Scientific www.fishersci.com | S37441 | Parafilm M Laboratory Film |
| Rhodamine-6G Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 20,132-4 | Dye content ~95% |
| Rhodamine-B Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | R-953 | Dye content ~80% |
| Soap to clean mold | Various | ||
| Stainless Steel Foil | Various | .0005" thick, 304 Stainless Steel | |
| Tetramethylorthosilicate (TMOS) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 218472-500G | 98% purity, CAS 681-84-5 |
| Ultrasonic Cleaner | FisherScientific FS6 | 153356 | Any sonicator is suitable. |
| Vacuum Exhaust system | Purex | 800i | Any exhaust system is suitable. |
| Variable micropipettor, 100-1000 µL | Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com | S304665 | Any 100-1000 µL pipettor is suitable. |
References
- Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
- Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
- Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
- Bhuiya, M. M. H., et al. Preparation of monolithic silica aerogel for fenestration applications: scaling up, reducing cycle time, and improving performance. Industrial & Engineering Chemistry Research. 55 (25), 6971-6981 (2016).
- Jelle, B. P., et al. Fenestration of today and tomorrow: A state-of-the-art review and future research opportunities. Solar Energy Materials and Solar Cells. 96, 1-28 (2012).
- Michalous, I., Carroll, M. K., Kupiec, S., Cook, K., Anderson, A. M. Facile method for surface etching of silica aerogel monoliths. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 87 (1), 22-26 (2018).
- Stanec, A. M., Anderson, A. M., Avanessian, C., Carroll, M. K. Analysis and characterization of etched silica aerogels. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 94, 406-415 (2020).
- Sun, J., Longtin, J. P., Norris, P. M. Ultrafast laser micromachining of silica aerogels. Journal of Non-Crystalline Solids. 281 (1-3), 39-47 (2001).
- Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
- Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
- Vainos, N. A., Karoutsos, V., Mills, B., Eason, R. W., Prassas, M. Isotropic contractive scaling of laser written microstructures in vitrified aerogels. Optical Materials Express. 6 (12), 3814-3825 (2016).
- Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Aegerter, M., Leventis, N., Koebel, M. Aerogels as platforms for chemical sensors. Aerogels Handbook. Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies. , (2011).
- Bockhorst, M., Heinloth, K., Pajonk, G. M., Begag, R., Elaloui, E. Fluorescent dye doped aerogels for the enhancement of Cerenkov light detection. Journal of Non-Crystalline Solids. 186, 388-394 (1995).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing silica aerogel monoliths via a rapid supercritical extraction method. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (84), e51421 (2014).
- Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A fast supercritical extraction technique for aerogel fabrication. Journal of Non-Crystalline Solids. 350, 238-243 (2004).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , (2011).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , (2008).
- Estok, S. K., Hughes, T. A., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Fabrication and characterization of TEOS-based silica aerogels prepared using rapid supercritical extraction. Journal of Sol-gel Science and Technology. 70 (3), 371-377 (2014).
- Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a rapid supercritical extraction aerogel fabrication process: Prediction of thermodynamic conditions during processing. Journal of Non-Crystalline Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
- Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina sol gels: Effects of heat treatment on structure and catalytic ability. Journal of Non-Crystalline Solids. 453, 94-102 (2016).
- Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Characterization of alumina and nickel-alumina aerogels prepared via rapid supercritical extraction. Polymer Preprints. 52 (1), 250-251 (2011).
- Tobin, Z. M., et al. Preparation and characterization of copper-containing alumina and silica aerogels for catalytic applications. Journal of Sol-gel Science and Technology. 84 (3), 432-445 (2017).
- Tsou, P., Brownlee, D. E., Glesias, R., Grigoropoulos, C. P., Weschler, M. Cutting silica aerogel for particle extraction. Lunar and Planetary Science XXXVI. Part 19. , (2005).
- Ishii, H. A., et al. Rapid extraction of dust impact tracks from silica aerogel by ultrasonic microblades. Meteoritics & Planetary Science. 40 (11), 1741-1747 (2005).
- Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).
